山大《MD》：延伸率實現倍增！流線型強化相構型的AlSiMg合金
2023-02-13 17:07:06
作者：材料科學與工程 來源：材料科學與工程
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Al-Si-Mg合金是目前應用最為廣泛的鋁合金之一，除了細晶強化、粒子強化及熱處理強化之外，晶粒的取向及強化相的構型在合金的強度和塑性方面同樣起著重要的主導作用。為了獲得高強高韌的材料，有必要研究合金的組織構型和力學性能之間的相互關系。山東大學劉相法教授團隊利用自主研制的Al-TCB-25Si晶種合金，通過其中的C摻雜型TiB2 (C-TiB2)細化α-Al晶粒，并通過SiC進一步強化基體，制備了強化相呈網狀構型的新型Al-Si-Mg合金。進一步借助熱擠壓工藝將網狀構型改變成流線型，系統地研究了不同構型Al-Si-Mg合金的組織和力學性能，并討論了組織構型對力學性能的影響機理。相關論文以“Revealing the correlation of microstructure configuration and mechanical properties of Al–Si–Mg alloy reinforced by C-doped TiB2 and SiC”為題發表在《Materials & Design》上。論文第一作者為山東大學材料科學與工程學院李道秀博士生，通訊作者為劉思達研究員（個人鏈接：https://faculty.sdu.edu.cn/liusida/zh_CN/），劉相法教授（課題組鏈接：納米晶種材料創新工作室 (nfalloys.com)）。https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111694
鑄態Al-Si-Mg合金中的共晶Si呈網狀構型分布，SiC和C-TiB2分布在晶內和晶界處，熱擠壓后，合金中的共晶Si、SiC和C-TiB2沿擠壓方向呈流線型分布。網狀構型的Al-Si-Mg合金的晶粒取向是各向同性的，而流線型構型合金則具有(100)Al的擇優取向，(111)Al和(220)Al取向的強度有所減弱。此外，網狀構型合金的平均晶粒尺寸為69.2 μm，晶粒尺寸被明顯細化。流線型構型合金的晶粒發生了動態再結晶，平均晶粒尺寸為36.7 μm，比網狀構型合金減小了47%。
圖1網狀構型及流線型構型的Al-Si-Mg合金的顯微組織
在成分一致的情況下，與網狀構型合金相比，流線型構型合金的極限抗拉強度(UTS)和屈服強度(YS)略有降低，其中UTS降低了11.0%，YS降低了15.6%，然而其延伸率提高了79.5%，達到20.1%。經T6處理后，網狀構型合金的UTS和YS分別達到338 MPa和275 MPa，而流線型構型合金仍具有良好的延伸率，比相同狀態下的網狀構型合金高出約84.2%。
晶粒的取向對合金的性能也有明顯的影響。Schmidt因子越大，滑移系越容易開動，晶體越容易變形。網狀構型合金和流線型構型合金的Schmidt因子的平均值分別為0.435和0.459，說明在外力作用下，大多數晶粒滑移體系趨于同時被激活并發生變形。但網狀構型合金中Schmidt因子范圍小于0.4的晶粒比例更高，抗變形能力更強。此外，雖然兩種組織構型合金的Taylor因子都在2.3–3.7范圍內，但是網狀構型合金的Taylor因子分布較為均勻，而流線型構型合金則主要集中在2.3–3.1的較低范圍，說明流線型構型的合金更容易發生塑性變形，具有更好的塑性。
圖4 組織構型對合金Schmidt因子、Taylor因子及GND密度的影響增強相的構型對合金的性能也有顯著影響，這與其承載力的方式密切相關。對于具有網狀構型的合金，在承受外力時，位錯首先在強化相周圍聚集，形成的大量位錯也沿網狀分布，直至形成微裂紋。在持續的外力作用下，微裂紋垂直于應力方向相互連接，直至試樣斷裂。相比之下，流線型構型合金中的位錯同樣首先在強化相周圍產生，但隨著拉伸過程的進行，微裂紋趨于沿拉伸方向擴展，裂紋之間難以連接，合金得以持續變形，擁有更好的塑性。
圖5 網狀構型和流線型構型合金在拉伸過程中裂紋擴展的示意圖。綜上，共晶Si和增強顆粒的流線型分布有利于提高Al-Si-Mg合金的塑性，其延伸率幾乎是網狀構型合金的兩倍。網狀構型的增強相能更好地承受應力，防止基體變形，提高合金強度；而流線型的增強相為基體的塑性變形提供了有利條件，阻礙基體中微裂紋的接觸，從而提高合金的伸長率。這為高強高韌材料的設計提供了數據支撐和理論支持。
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